課程設計(論文)-零位儀的校正

零位儀的裝調(diào)學生姓名專業(yè)學號學院二〇一六年11月摘要目前我國的紅外瞄準鏡正處于第一代的推廣使用階段，其校正方式還是以傳統(tǒng)的實彈射擊為主。這種方式不僅繁瑣、耗時而且受環(huán)境因素影響大，嚴重影響部隊的快速作戰(zhàn)能力。其次，激光指示器是安裝在輕武器上，用于在夜間或者低照度環(huán)境下，快速準確瞄準近距離目標的一種光學瞄具。由于剛剛定型裝備部隊，到目前為止還沒有有效便捷的檢測設備用于其瞄準零位的校正。本文利用圖像采集技術為其研發(fā)了一套數(shù)字化零位校正儀。本文首先介紹了常用多光軸平行度校正的一些方法，對激光指示器的組成結構及指示目標原理做了相關說明，并采用圖像采集以及光斑中心定位技術制定了校正激光指示器瞄準零位的總體設計方案。本文在研究多光軸平行性檢測技術的基礎上，比較了幾種常見的準直系統(tǒng)，并選用牛頓全反射共軸光學系統(tǒng)作為理論依據(jù)，設計了一款紅外瞄準鏡專用的零位校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設計機械插軸、輻射照明裝置與準直系統(tǒng)共同提供無窮遠紅外基準目標。本文還探討了校正系統(tǒng)的零位標定方法及原理，并完成了零位標定、誤差分析、性能檢測及部隊鑒定實驗。實驗表明，該校正系統(tǒng)能夠達到密位的校正精度要求，是一種能夠全天候使用于多種口徑槍族系列的便攜式光電檢測儀器。本文其次介紹了常用多光軸平行度校正的一些方法，對激光指示器的組成結構及指示目標原理做了相關說明，并采用圖像采集以及光斑中心定位技術制定了校正激光指示器瞄準零位的總體設計方案。

一、紅外瞄準鏡介紹及校正原理1.介紹隨著熱像儀的出現(xiàn)，戰(zhàn)爭打破了晝夜環(huán)境的束縛，使全天候作戰(zhàn)成為了可能。釆用這種儀器士兵在夜間也能夠看清或者距離更遠的敵方目標，從而實行精確打擊，一定程度上提升了作戰(zhàn)效果以及自身的生存幾率。目前熱像儀可分為手持式和裝于輕武器式兩類，一般將能夠安裝于輕武器裝備的熱像儀統(tǒng)稱為紅外瞄準鏡。紅外瞄準鏡按照工作原理不同，又可分為主動式和被動式兩種。其中主動式紅外瞄準鏡依靠自帶光源發(fā)射紅外光照射目標，通過將目標反射的紅外光線進行成像轉換，獲取可見光圖像，主要在自然界溫度低，紅外線轄射能量小，不能滿足儀器的成像要求時使用。這種紅外瞄準鏡最早誕生于第二次世界大戰(zhàn)末期，德國和美國相繼將其投入到戰(zhàn)爭中，均取得了意想不到的效果。1945年，由德國研制的型號為Zielgeraet299、代號為“vampire”的紅外目苗準鏡，在裝配突擊步槍后試用于戰(zhàn)場時，一個班的兵力竟然把英國一個排的巡邏隊消滅了大半，雖然特定地形發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，但是紅外瞄準鏡的作用卻不可忽略。而作為另一個超級大國，美國則研制了型號為T-20的紅外瞄準鏡，該瞄準鏡能夠裝配于M3卡賓槍，并在琉球島登陸戰(zhàn)中起到了關鍵作用。據(jù)消息稱當時日軍憑借復雜的地理巖洞優(yōu)勢，雖釆用晝伏夜出的作戰(zhàn)方略，對美軍進行阻擊，但是一旦走出洞穴，便受到美軍的猛烈打擊，據(jù)不完全統(tǒng)計，一周之內(nèi)日軍的傷亡人數(shù)占總人數(shù)的30%之多，直接扭轉了整個戰(zhàn)局。由于紅外貓準鏡能夠在很大程度上提升軍隊陰天及夜間的戰(zhàn)斗力，因此世界各國均在大力發(fā)展紅外瞄準技術。1964年美國薩克斯儀器公司率先研制了紅外前視系統(tǒng)，該系統(tǒng)被公認為第一代紅外成像裝置，其設計原理是采用機械結構控制光學元件移動，對目標的紅外福射圖像進行分解掃描，并經(jīng)過光電轉換后在焚屏上顯示，前該系統(tǒng)仍然使用于很多重要領域，包括坦克、軍艦及飛機等武器裝備。在六十年代中期出現(xiàn)了第二代紅外成像裝置，該裝置根據(jù)檢測需要在紅外前視系統(tǒng)中引入了測溫功能，只需通過觀察目標即能檢測其溫度，解決了非接觸式測溫的難題，提升了熱像儀的使用范圍。七十年代時候出現(xiàn)了無需制冷的紅外熱電視機。到了九十年代出現(xiàn)了最新一代紅外電視產(chǎn)品，該產(chǎn)品根據(jù)焦平面類型可分為制冷型和非制冷型，并能夠在工廠中進行大規(guī)模生產(chǎn)，因此紅外技術在該階段中得到了空前的提高。而我出直至七十年代才組織國內(nèi)技術專家對紅外技術展開研究。到八十年代初期己掌握了進行長波光學元件的研制和生產(chǎn)方面的相關技術。八十年代末，中國研制了國內(nèi)第一臺實時紅外成像樣機，該樣機有較高的靈敏度和溫度分辨率。進入九十年代，中國在紅外技術研究領域突破了多項關鍵技術，已能夠自主研制低噪音寬頻帶前置放大器、微型制冷器等核心器件，并開始將紅外技術逐步從實驗運用到部隊實踐中去。新世紀以來國內(nèi)已聚集了大量的尖端科技人才，對紅外技術的研究已形成了一定的規(guī)模。但與發(fā)達國家相比，我國在該技術領域少落后10年以上。目前國外己開始研制第三代紅外瞄準鏡，而我國還處在第一代的推廣使用階段，今后還有很長的路要走，因此紅外成像技術的研究需要我們這代人投入更多的分析與研究。2.校正原理分析高精度紅外瞄準鏡是槍械高命小率的保證，在不考慮風速、溫度等外界環(huán)境因素干擾的前提下，貓準軸與槍軸夾角越小，槍械命屮率越高。如上圖所示，校正時將槍軸作為基準軸，根據(jù)彈著點B確定紅外基準點A，A點與B點的距離等于瞄準軸與槍軸的垂直距離，由于紅外瞄準鏡離槍管很近，而且射出的子彈具有一定散布直徑，因此A、B點間距離可以忽略不計，即點與B點位置重合。在確定基準點后，只需通過調(diào)節(jié)紅外瞄準鏡的方位與高低手輪，使其瞄準點與基準點重合即可。紅外瞄準鏡經(jīng)校正后，理論上瞄準點與彈著點的相對位置和瞄準鏡與槍管的相對位置相同，而對于有經(jīng)驗的狙擊手而言，如果知道瞄準鏡與槍管間的垂直距離，可以根據(jù)貓準點精確預估彈著點的位置，能夠實現(xiàn)百發(fā)百中。通常情況下紅外瞄準鏡觀察距離遠大于其物鏡焦距，因此基準點可以近視看作無窮遠目標。根據(jù)該結論，在校正瞄準軸與槍軸校平行時，只需要為紅外瞄準鏡提供無窮遠的基準目標即可，而提供無窮遠目標必然要構造平行光管。第一章節(jié)中我們已經(jīng)討論了全反射光學系統(tǒng)的優(yōu)越性及其在紅外檢測領域的廣泛運用，以此作為理論依據(jù)，設計的原理方案如下圖所示。位于焦平面處的分劃板被照明后，光線通過主反射鏡和次反鏡構成的準直系統(tǒng)，向被校船準鏡提供無窮遠基準目標，該目標與校正儀組成一基準軸線，此基準線與槍管軸線平行，當被校瞄準鏡分劃中心準軸線重合時，則被校瞄準鏡處于零位狀態(tài)。二、總體方案設計瞄準鏡常用的校正步驟如下：從槍械卡槽上卸下瞄準鏡，安裝至檢測儀器卡槽上進行校正，零位校正后，再將瞄準鏡重新安裝至槍械卡槽上。在這種校正方式中，即使機械卡槽具有很高的重復精度，在經(jīng)過多次反復安裝與拆卸后，合成誤差值將不再忽略不計。本系統(tǒng)根據(jù)槍膛內(nèi)部結構，設計能夠直接與槍管連接的機械插軸，不需要拆卸瞄準鏡，即能進行校正。下圖為系統(tǒng)框架圖:根據(jù)系統(tǒng)設計的原理方案，構建總體框架如上圖所示。整個系統(tǒng)包括福射照明裝置、全反射光學系統(tǒng)和機械插軸，機械插軸與全反射光學系統(tǒng)外部鏡筒緊密相連。通過電池和外接電源分別為紅外福射照明裝置供電，能夠產(chǎn)生紅外、白光及微光照射分劃板，從而將分劃板圖案模擬成不同波段類型的目標，適用于不同型號瞄準鏡的零位校正。校時只需將機械插軸插入槍管，保證機械插軸與槍軸的一致性，通過設計機械插軸與全反射光學系統(tǒng)光軸平行，將槍軸的基準軸線轉換成無窮遠的基準標供瞄準鏡校正使用。紅外瞄準鏡零位校儀在方案設計過程中，主要突破了三項關鍵技術：①采用全反射光學系統(tǒng)，確保不同波長光程的一致性，實現(xiàn)了紅外、內(nèi)光及微光貓準鏡的零位校正；②出射窗采用多光譜檢測領域常用的硒化梓晶體材料，確保了部分可見光及紅外波段均能透射，此外在該材料表面鍛膜，在增加透射率的同時也提高了材料的化學穩(wěn)定性；③轄射照明裝置首次采用陶瓷材料作為紅外輻射源，提供了目標與背景的溫差，并利用材料正溫度系數(shù)特性在居里點附近實現(xiàn)了目標溫度的恒定。三、激光指示器的校正1．激光指示器介紹95改進型步槍上使用的是QM/QMJ型激光指示器，該激光指示器主要是由激光指示器本體、槍鏡連接機構、校槍調(diào)整機構、電源、電子幵關電路和引線開關等部件組成，全套組件如下圖：激光指示器本體選用的是波長650nm為的紅色半導體激光器部件，功率約為5Mw,束散角小于1mrad，其在目標處形成的紅色光斑能量集中、光斑小、瞄準精度較高。其在背景照度為1勒克斯環(huán)境下，有效作用距離約為100米。電源釆用的是電壓為3V的CR2型鋰電池，該電池可以適應零下四十攝氏度的工作環(huán)境，連續(xù)工作時間常溫下大于10小時，此外電子開關電路和引線幵關用來控制激光指示器的開關。槍鏡連接機構與一般槍族瞄具相同，釆用統(tǒng)一的“正頂式”連接方式，其包括連接基座、鎖緊手柄及鎖緊螺桿。連接基座為基礎連接件，起到激光指示器與武器導軌之間的連接作用；鎖緊手柄為操作件，實現(xiàn)人力傳遞給鎖緊組件的功能，并可自動復位；鎖緊螺桿提供鎖緊力，通過鎖緊手柄，鎖緊螺桿與導軌平面做正頂運動，消除了激光指示器與武器導軌燕尾面之間的間隙并頂緊武器導軌，實現(xiàn)了確實鎖緊功能。激光指示器與步槍的安裝連接如下圖：雖然槍鏡連接機構帶有鎖緊裝置，但是子彈擊發(fā)過程中給槍體帶來的強大沖擊力以及槍體撞擊硬物等都會對激光指示器的方向造成微小的偏移，偏移累積之后就會嚴重影響到激光指示器的瞄準精度。所以為了保證射擊精度，QM/QMJ激光指示器自身還帶有校槍調(diào)整機構，其包括高低調(diào)整手輪與方向調(diào)整手輪，兩個手輪位于激光指示器上位置如上圖所示，通過調(diào)整手輪，可分別在兩個相互垂直的方向上調(diào)整激光光束。該機構采用現(xiàn)瞄準鏡常用的光學杠桿式調(diào)整機構，同時為減少射擊時武器沖擊帶來的零位走動，高低、方向調(diào)整手輪上還設有零位鎖定手輪。2系統(tǒng)裝配與標定本系統(tǒng)屬于光學檢測儀器，光學儀器的裝配一般分為兩個步驟：第一步為零件組裝將符合公差要求的零件按照圖紙連接方式及工藝要求進行安裝，完成整個系統(tǒng)的搭建；第二步為系統(tǒng)校正，主要調(diào)校光學系統(tǒng)的光軸、視差等。該檢測系統(tǒng)的主體是物鏡和單板機，物鏡與機械零件連接，常用的固定方法有滾邊法、壓圈法、彈性元件固定法及膠粘法。其中彈性元件固定法是利用琴鋼絲制成的彈性卡圈將透鏡或其他的光學件固定在鏡框內(nèi)的一種方法，只用于同軸度和牢固性要求較低的透鏡；膠粘法是利用膠粘劑如環(huán)氧樹脂、烏利當膠粘劑將透鏡膠粘在鏡框內(nèi)的一種方法，通常用于直徑很小的透鏡；滾邊法是將透鏡裝入金屬鏡框中，在精整車床上用專用工具把鏡邊緣擠壓彎曲，使其沿著透鏡圓周倒角的斜面緊緊地包住透鏡，把透鏡和鏡框牢固的連接在一起，這種方法一般使用在直徑是40毫米以下的透鏡安裝，本物鏡直徑為40毫米，且為雙膠合，透鏡較重，滾邊法不易固定，現(xiàn)采用壓圈法連接。壓圈法是采用內(nèi)、外螺紋壓圈來固定透鏡，本膠合物鏡將凹透鏡作為定位面，壓圈壓在凸透鏡上。CCD單板機通過定位塊、壓片進行固定，給定的尺寸及公差范菌可以保證CCD的中心大致在物鏡光軸上。此外，系統(tǒng)裝配時還需要注意的有以下幾點：1、機械零件與光學零件連接時，應保證連接的牢固性，但不能引起光學零件產(chǎn)生應力。如果壓力過大，會使光學零件發(fā)生變形；2、需要滿足光學系統(tǒng)成像質量的要求，該系統(tǒng)中主要是保證的感光面與物鏡的焦平面重合，若離焦則會產(chǎn)生測量誤差；3、儀器的內(nèi)表面、零件表面，尤其是光學零件表面要求非常清潔。因為一切附在光學零件表面上的灰塵、污拒等，都將影響光線的通過，整個裝配過程需在無塵實驗室中進行；4、該產(chǎn)品屬于軍用光學檢測儀器，需要保證其在野外惡劣條件下任能正常使用，要求儀器對外界的影響具有良好的穩(wěn)定性，裝配時通過加入密封圈、涂膠、表面氧化等手段增加儀器的密封性、防水性以及防腐性。安裝完成后進行第二步，主要完成對系統(tǒng)視差的校正，即將CCD的感光面調(diào)至與物鏡的焦平面重合。校正方法如下：將裝配好的儀器連接上位機，將物鏡對準平行光管，平行光管采用分辨率靶板，平行光管出射的是平行光，通過物鏡后便會聚在其焦點上，通過儀器表面的螺釘對物鏡的前后位置進行微調(diào)，在上位機軟件上觀察感光面所成像，當分辨率靶板最清晰時，即完成調(diào)校。裝配校正好的儀器與上位機連接如下圖所示：3.2系統(tǒng)裝配與標定對激光指示器的零位進行檢測必須要有一個基準來代表子彈發(fā)射軸，這里將插軸作為基準軸，標定的目的就是找出感光面上的一個點（參考點），使其與物鏡組成的光軸與插軸平行，當把激光光斑的中心調(diào)節(jié)到該點時，激光指示器的出射光軸與步槍的發(fā)射軸平行，完成調(diào)校。參考點標定采用工廠檢測里常用的五棱鏡法，原理如下圖所示。整個檢測裝置由帶十字分劃的平行光管、五棱鏡、安裝平臺及基準面組成。安裝平臺上有根據(jù)插軸結構設計的小孔，內(nèi)部構造和毫米口徑的槍騰相同，插軸插入小孔后，光學成像系統(tǒng)能夠以插軸為中心軸進行左右旋轉?；鶞拭媸且粋€平面，五棱鏡可以依靠基準面在一條直線上左右移動，五棱鏡的光學性能是能將光路折轉度，如下圖所示，五棱鏡在位置和位置處，出射的兩光束平行。由幾何光學原理可知，當這兩束光與插軸平行時，它們分別在上成像的點相同，此點即為要標定的參考點。調(diào)節(jié)過程中，轉動安裝平臺，改變插軸與兩平行光的位置關系，然后分別查看兩束光中十字分劃在CCD上的成像位置，多次調(diào)節(jié)直至兩個位置下，十字分劃在CCD上的位置相同。調(diào)節(jié)完成后固定平行光管和安裝臺位置，此時插軸和平行光管光軸垂直，以后標定參考點只需插入插軸，找出十字分劃中心在CCD上的坐標，此即為參考點?？偨Y與展望紅外瞄準儀一直是軍事領域的重要器件，本文對紅外瞄準儀裝配與校正的研究雖然比較淺顯，但對作者本人對紅外瞄準儀的裝配無論是從理論上還是實踐上都有了更為深刻的認識而多光軸校正一直是光學檢測領域研究的重點問題，現(xiàn)己從傳統(tǒng)的目視觀察法發(fā)展到以圖像采集技術為主體的數(shù)字化檢測方法，不僅檢測更加方便而且精度更高。本文所研究的內(nèi)容屬于光軸檢測范疇，但又有所區(qū)別，主要是完成光軸與機械軸兩種不同軸線的平行度校正。

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